量子信息科學研究面臨的最大困難之一是量子比特系統(tǒng)固有的不穩(wěn)定性。量子疊加態(tài)本質上是脆弱的，因為來自局部環(huán)境的任何干擾，包括熱激發(fā)、機械振動或雜散電磁場，都可能對量子態(tài)的相干性產生有害影響。這些噪聲環(huán)境下的量子比特往往會產生更高的錯誤率，而主動糾錯對于任何可能實現(xiàn)的大規(guī)模量子計算機來說都是一個嚴格的要求。

相比之下，量子信息科學的另一個分支領域，量子傳感，旨在將這一障礙轉化為優(yōu)勢。由于量子比特對環(huán)境參數(shù)極為敏感，這也使其具備實現(xiàn)高靈敏度傳感器的潛力。盡管像離子阱和中性原子這樣的原子系統(tǒng)在電磁場測量、重力測量和加速度傳感等領域展現(xiàn)了出色的性能，但對于磁場傳感，目前最流行系統(tǒng)之一是利用被束縛在金剛石晶格內的氮空位缺陷構建量子比特，實現(xiàn)高精度的磁力測量。

由德國Max-Plank高分子研究所的Ronald Ulbricht博士領導的研究團隊正致力于研究增強這類固態(tài)磁力計靈敏度的新技術。在開展研究的過程中，該團隊使用了Moku:Pro進行實驗，并利用Moku的云編譯功能自定義信號。Moku:Pro是一款基于FPGA的可重構設備，提供了一套軟件定義的測試測量儀器。另外，云編譯功能在所有Moku設備上均有配備，允許用戶快速部署自定義的HDL代碼在FPGA上實現(xiàn)相應的功能，既可以獨立使用，也可以與Moku套件中的其他儀器配合使用。在實驗中，該團隊通過使用一個自定義模塊生成復雜的正弦波模式，并結合一種新穎的檢測方案，提高了基于NV色心的磁力計在室溫下的靈敏度。他們的研究成果最近發(fā)表在Physical Review Applied上。

研究背景與挑戰(zhàn)

金剛石氮空位（NV）色心是一種人工制備的量子缺陷。通過高能電子束或離子束輻照在金剛石中產生碳空位，再經(jīng)高溫退火使空位與摻雜的氮原子結合形成NV色心。NV色心在室溫下具有很高的穩(wěn)定性，可通過光學方式與微波精確操控。由于金剛石晶格的保護，NV色心對環(huán)境影響具有極強的耐受性—能在各種極端條件下正常工作。

利用NV色心探測磁場的一種方式是借助光探測磁共振（ODMR）這一過程。與傳統(tǒng)磁共振情況類似，當對金剛石NV色心樣本施加一個微弱磁場時，自旋子能級之間會出現(xiàn)能級分裂現(xiàn)象，如圖1所示。同時，外部微波信號（頻率約為3 GHz）會促使基態(tài)自旋在這些子能級間發(fā)生躍遷。向該系統(tǒng)施加一束波長為532納米的激光脈沖，能夠將自旋從基態(tài)激發(fā)至第一激發(fā)態(tài)。在這一激發(fā)態(tài)下，NV色心展現(xiàn)出一種獨特行為：自旋選擇性衰變 。當NV中心被激發(fā)時正好處于自旋為 0 的子能級，它弛豫回到基態(tài)時會發(fā)出熒光；若處于自旋為 -1或 +1的狀態(tài)，它是通過暗通道弛豫回到基態(tài)，不會發(fā)出熒光。因此，熒光信號的強度能夠反映出NV色心的自旋分布情況 。若微波驅動頻率與自旋能級拉比振蕩頻率處于共振狀態(tài)，則自旋被激發(fā)至 +1 或 -1 態(tài)，熒光強度將隨之降低。由于外部磁場的擾動會使自旋的共振頻率發(fā)生偏移，而這種偏移隨后會通過熒光信號的變化體現(xiàn)出來，所以可據(jù)此反映外部磁場的大小。

圖1：金剛石NV色心能級圖。上部：NV色心占據(jù)自旋為0、-1或 1的子能級。若被 532 納米的綠色激光激發(fā)，后續(xù)衰變路徑將取決于初始自旋狀態(tài)。下部：每個子能級根據(jù)氮原子核的狀態(tài)進一步分為超精細能級，從而從自旋為0的基態(tài)開始，總共有6種躍遷路徑。

來自Ulbricht博士實驗室的研究生Ali Tayefeh Younesi，在研究中開發(fā)了一種改進的光探測磁共振（ODMR）方案。他沒有選擇直接從NV色心的自旋選擇性衰變過程收集熒光信號，而是額外將1042 nm的紅外探測激光輸入樣品，作用于暗通道路徑的單重態(tài)弛豫與吸收，探測信號的吸收取決于單重態(tài)粒子布居數(shù)。通過吸收而非熒光發(fā)射進行測量，對比度更高，因而靈敏度也更高，而且硬件配置也更方便。這種紅外吸收方法在以往的研究中一直難以有效實施，因其通常需要借助低溫環(huán)境或通過腔體增強來克服低信噪比的問題。Ali和他的團隊在研究中通過使用窄線寬的金剛石樣品以及使用 Moku的云編譯功能實現(xiàn)多頻同步激勵，為這一方法在室溫無腔體條件下的應用找到了合適的解決辦法。

解決方案

為了使探測信號達到最佳的信噪比，研究團隊最大限度地增加了可用的氮空位中心躍遷路徑數(shù)量。如圖1所示，在自旋為1的氮核（14N）與電子自旋的耦合作用下，NV色心的0→-1和0→+1自旋躍遷各自分裂為三個子能級，并產生約2 MHz的超精細分裂。不同于僅驅動單一子能級的傳統(tǒng)方法，Ali使用Moku的云編譯平臺生成了一個包含六個獨立頻率分量的復合基帶信號，如圖2所示。該基帶信號隨后與2.87 GHz本地振蕩器混頻，以同步激發(fā)全部六個NV色心躍遷路徑。此外，他通過云編譯功能還為信號添加了頻率調制，使六個驅動頻率能夠被同步掃描。當這些頻率依次接近或脫離對應NV躍遷的共振條件時，1042 nm探測激光的吸收率變化會被鎖相放大器捕獲，如圖2所示。最終，通過記錄電壓信號并基于塞曼效應的線性關系，即可直接計算出外部磁場的強度。

圖 2：實驗設置。上圖：光路設置示意圖，展示了施加在金剛石NV色心樣品上的泵浦（綠色）激光和探測（紅外）激光。下圖：用于驅動NV色心躍遷路徑的多頻信號的頻譜圖。

Ali認為Moku的云編譯功能以及Moku的數(shù)字化特性使得他能夠輕松地將多個頻率成分組合在一起，同時確保了適當?shù)姆确秶拖辔煌?，而這些是使用模擬信號的混頻器難以做到的。

Ali提到：“調制是同步的，這些都是通過Moku的云編譯功能完成的?！?/span>

通過其控制寄存器，Ali可以輕松地更改中心頻率、調制深度和頻率。另外，他還發(fā)現(xiàn)Moku平臺通過可重構FPGA提供的許多其他儀器功能，如示波器和頻譜分析儀，對于實驗中的信號調試和驗證任務非常有用。

實驗結果

在測量設備和程序就緒后，Ali首先通過向樣品施加已知的脈沖磁場來校準裝置，發(fā)現(xiàn)即使在很小的磁場（<1?T）下，磁力計也能將磁場的振幅測量誤差控制在3%以內。

研究團隊還進行了第二項測試來測定靈敏度。通過收集鎖相放大器一段時間的輸出，計算出了磁場探測的功率譜密度。通過在微波驅動器上進行共振和非共振狀態(tài)的切換，可以量化非磁性噪聲的貢獻。研究團隊發(fā)現(xiàn)，該傳感器的噪聲下限為 18 pT/√Hz，部分原因是激光脈沖噪聲。盡管如此，這個數(shù)值仍代表了這種紅外吸收技術有史以來所記錄到的最高靈敏度。理論上，其單次脈沖噪聲靈敏度為 5 pT/√Hz，并有望通過增加紅外探測光功率進一步降低這個噪聲。

Ali和他的同事們目前在不斷改進他們基于NV色心的磁力計技術，并且Moku仍將作為他們實驗裝置的重要組成部分而繼續(xù)發(fā)揮作用。

Ali表示：“在實驗室里擁有一臺這樣的小巧便攜的設備真是太好了，只需一臺設備，你就能擁有所需的所有工具?！?/span>

除了Ulbricht博士帶領的研究團隊在實驗中使用到的這些功能，Moku還提供了PID控制模塊可以實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定控制，以及激光鎖頻/穩(wěn)頻模塊可以實現(xiàn)激光頻率的高效穩(wěn)定鎖定，還有時間間隔與頻率分析儀可以實現(xiàn)熒光光子信號的收集和計數(shù)，這些多樣的儀器功能為其在金剛石NV色心實驗平臺的進一步應用提供了可能。

一臺Moku硬件設備=一套量子測控平臺

在實際構建量子信息處理實驗系統(tǒng)過程中，激光光源的不穩(wěn)定性、不同設備與信號之間的同步，以及噪聲背景下微弱信號的提取等問題都為實驗的實際實現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。比如在常見的量子比特控制實驗中，我們不僅需要使用到不同波段的激光，還需要生成特定的脈沖序列來對量子比特施加具體的調控。這一過程要求我們使用的激光具有穩(wěn)定的頻率和功率，并且生成的脈沖信號需要被精準地定時以及同步。在傳統(tǒng)的實驗中，通常需要引入大量的外圍設備，如鎖相放大器、PID控制器、任意波形發(fā)生器等來解決量子比特控制中的激光穩(wěn)定、信號定時以及設備同步問題。然而，這些傳統(tǒng)的測試測量設備功能單一，靈活度低，會占據(jù)大量實驗室空間，設備之間互連還會引入額外的噪聲，無法高效地解決我們實驗部署時實際遇到的挑戰(zhàn)。

而Moku基于可重構FPGA硬件結合軟件定義儀器技術，將超過15種儀器功能被集成在一個硬件上，在實驗中不僅可以靈活切換儀器功能，還可以組建自定義的測試測量系統(tǒng)，為量子信息等復雜實驗中提供了更加靈活方便的測控一體化解決方案。

最新發(fā)布Moku:Delta硬件，允許同時運行高達8個儀器功能，對于量子比特控制實驗中的這類復雜的測試測量系統(tǒng)我們可以僅通過一臺Moku設備就實現(xiàn)輕松部署。值得一提的是，Moku內部多儀器并行時，所有儀器都共享一個時鐘源，這樣可以獲得很好的儀器同步性，實現(xiàn)儀器之間的精準時序控制。另外，Moku內部儀器之間的信號連接和時鐘總線采用全數(shù)字鏈路，可以減少物理連線和轉接頭的使用，提高信號保真度，減少信號失真和頻率/相位漂移為實驗帶來的不利影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

在下一篇文章，我們將探討在量子比特控制實驗中，如何在Moku設備上部署激光鎖頻/穩(wěn)頻器以及PID控制器對激光進行頻率和功率穩(wěn)定的同時，使用任意波形發(fā)生器生成穩(wěn)定的脈沖控制序列，同時還能部署示波器、鎖相放大器等信號檢測單元對控制輸出進行監(jiān)控和反饋。敬請關注昊量光電獲取最新更新。

參考文獻

[1] Ali Tayefeh Younesi, Muhib Omar, Arne Wickenbrock, Dmitry Budker, and Ronald Ulbricht, "Towards high-sensitivity magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond using the singlet infrared absorption", Phys. Rev. Appl. 23, 054019 (2025).